Směrové tuhnutí monokrystalových lopatek v průmyslových podmínkách za použití vyvinuté vzduchem chlazené metody lití
V tomto článku byl studován vliv plynového chlazení na zjemnění mikrostruktury monokrystalických lopatek vyrobených procesem odlévání plynovým chlazením DGCC. Primární dendritová rozteč ramen (PDAS) dosahuje nejvyšší hodnoty na profilu a nejnižší hodnoty na platformě lopatky. Při použití Bridgmanovy metody se však hodnota PDAS mění podél lopatky v opačném směru. Metoda odlévání plynovým chlazením DGCC vede ke snížení hodnoty PDAS v lopatkové platformě asi o 100 μm ve srovnání s konvenčním sálavým chlazením.
V procesu směrového tuhnutí superslitiny na bázi niklu je struktura dendritu zjemněna zmenšením rozteče primárního dendritu (PDAS) a zvýšením axiálního teplotního gradientu na přední straně tuhnutí, aby se zlepšila provozní teplota a mechanické vlastnosti jednotlivých křišťálové čepele. V Bridgmanově metodě přenos sálavého tepla mezi obrobkem a pecí výrazně omezuje účinnost chlazení pláště formy, čímž se snižuje teplotní gradient a nepřispívá ke zjemnění mikrostruktury dendritů. Proto, aby se zlepšila kvalita monokrystalu a výtěžek procesu, byly vyvinuty alternativní metody směrového tuhnutí, jako je chlazení tekutým kovem (LMC), odlévání za chlazení plynem (GCC), sestupné směrové tuhnutí (DWDS) a chlazení fluidním uhlíkovým ložem. metoda (FCBC).
Ve výše uvedených způsobech se kromě radiačního chlazení používá hlavně chlazení konvekční ke zlepšení účinnosti odvádění tepla povrchu skořepiny formy. U metod chlazení tekutým kovem (LMC) a chlazení s fluidním uhlíkovým ložem (FCBC) je skořepina formy ponořena do chladicí lázně, respektive do fluidního lože. Při metodách lití chlazeného plynem (GCC) a downward directional solidification (DWDS) je plyn vstřikován do povrchu pláště, aby se odlitek ochlazoval, když se pohybuje z ohřívací zóny pece. Pokračující vývoj metod výroby čepelí využívajících inertní chladicí plyny ukazuje velký potenciál těchto metod, protože náklady jsou relativně nízké ve srovnání s metodou chlazení tekutým kovem LMC, zatímco mikrostruktura obrobku je ve srovnání s Bridgmanovou metodou zlepšena. Konter a kol. demonstrovali způsob výroby lopatek velkých plynových turbín (IGT) pomocí inertních chlazených plynů, zatímco Wang a kol. použil tuto metodu k výrobě malých lopatek leteckých turbín. To stačí k prokázání, že použití inertního chladicího plynu je účinný způsob, jak efektivně zlepšit teplotní gradient a zjemnit strukturu dendritů. I když jsou tyto způsoby účinné, mohou mít velmi omezené použití při výrobě lopatek v průmyslovém měřítku, zejména tam, kde je do složitých formovacích pouzder současně umístěno více odlitků.
Použití složitého pláště s mnoha součástmi může velmi zkomplikovat přizpůsobení tepelného štítu vnějšímu profilu pláště. To způsobuje, že plyn může potenciálně proudit nahoru mezi součástmi, což neprospívá ochlazování pláště formy umístěné v topné komoře uvnitř pece. Na druhé straně přemístění trysky dolů směrem k vodou chlazeným prstencům může snížit tepelný účinek proudu inertního plynu na tuhnutí pastovité oblasti odlitku. Publikovaná analýza článku ukazuje, že metody směrového tuhnutí využívající chladicí plyny mají vysoký potenciál. V současné době však neexistují žádné informace o aplikaci této metody na složité čepele na výrobu keramických forem s více komponentami. Společnost Sikovok se proto pokusila vyvinout v průmyslovém měřítku technologii směrového tuhnutí pro lopatky turbín ze superslitiny na bázi niklu za použití plášťů forem pro chlazení inertním plynem, nazvanou pokročilá metoda odlévání za chlazení plynem Developed Gas Cooling Casting (DGCC). V této studii byl plášť formy chlazen vstřikováním inertního plynu nadzvukovou rychlostí z několika trysek umístěných pod tepelným štítem. Použití trysek s variabilním úhlem může správně nasměrovat tok inertního plynu na povrch skořepiny složitého tvaru s více odlitky. Studie zjistila, že použití chlazení plynem pomohlo zvýšit rychlost chlazení a snížit vzdálenost primárních dendritových ramen (PDAS) na platformě s monokrystalovými lopatkami ve srovnání s konvenčním sálavým chlazením v Bridgmanově metodě. Předběžné výsledky ukazují, že způsob odlévání plynovým chlazením DGCC může být použit ve výrobě v průmyslovém měřítku k výrobě vysoce kvalitních lopatek z monokrystalické superslitiny pro letecké motory.
Zkušební odlitky z CMSX-4 superslitin na bázi niklu byly směrově zpevněny pomocí standardního odlitku Bridgman a DGCC s chlazením plynem za účelem výroby simulovaných lopatek. Za tímto účelem byly vyrobeny dva druhy součástí voskových forem jako základ pro výrobu keramických skořepin forem [obrázek 1(f) a (g)]. Sestavy voskových forem zahrnují model chladicí desky o průměru 250 mm, vylévací systém, nalévací misku, osm simulovaných čepelí a sběrače a zvedáky krystalů.
Lopatky jsou umístěny tak, jak je znázorněno na obrázku 1(f). Komponenty jsou poté ponořeny do keramické kaše, následované částicemi oxidu hlinitého rozprášenými do fluidního lože, aby se vytvořil první povlak skořepiny formy. Ve druhé vrstvě byl použit mullit. Výše uvedené dva kroky byly opakovány, aby se získalo celkem devět vrstev s průměrnou tloušťkou asi 7 mm pro stěnu pláště [obrázek 1(g)].
Vosková forma se taví z vnitřku pláště formy, která se následně předehřeje na 800 stupňů Celsia. Nainstalujte připravený plášť formy na studenou desku chladicí komory v peci [obrázek 1(b)]. První krok směrového tuhnutí čepele monokrystalu byl proveden metodou odlévání za chlazení plynem DGCC ve vakuové indukční tavicí peci JetCaster a pro posílení chlazení formy byl přidán plynný argon. Pec se skládá z ohřívací a chladicí komory, systému tažení pláště formy se specifickou rychlostí a je vybavena systémem, který může proudit inertní plyny do chladicí komory [obrázek 1(a) až (c)]. Plášť je instalován na chladicí desku a přemístěn do topné komory uvnitř pece, která je předehřátá na 1520 stupňů Celsia pomocí dvouzónového indukčního ohřívače o výkonu 125kw. Zahřátá forma je poté naplněna CMSX-4 roztavenou superslitinou na bázi niklu o stejné teplotě a odváděna různými rychlostmi z ohřívací zóny pece do chladicí zóny. Rychlost vytahování je 3 mm/min v oblasti startéru a voliče a 12 mm/min v oblasti lopatky [obrázek 1(k)]. V průběžné zóně (přechodová zóna od separátoru k čepeli) se rychlost odtahu postupně zvyšuje.
